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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz eines einstellbaren
Impedanzelements, etwa eines Transistors zur Steuerung der Stromversorgung
eines Elektromotors, zwecks Begrenzung des durch den besagten Transistors
hindurchfließenden
Stroms.
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Die Erfindung kommt vorteilhafterweise
im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik zur Anwendung, insbesondere
zum Schutz der Steuerung eines Elektromotors für die Heizung, Belüftung- oder
Klimatisierung des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs oder zum Schutz
eines Elektromotors des Lüfters
zur Kühlung
eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors.
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In 1 ist
schematisch ein Elektromotor M dargestellt worden, dessen Stromversorgung
durch eine Gleichspannungsquelle U, etwa die Batterie eines Kraftfahrzeugs,
erfolgt, sowie ein MOSFET-Transistor,
der zwischen dem besagten Elektromotor M und der Masse geschaltet
ist und der die Stromversorgung dieses Elektromotors M steuert.
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Es ist bekannt, einen derartigen
Steuertransistor gegen die Stromerhöhungen der Schaltung zu schützen.
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In der Regel ist dazu eine Zusatzelektronik vorgesehen,
deren Aufgabe darin besteht, den Strom auf einen gegebenen Schwellenwert
zu begrenzen.
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Dieser Stromschwellenwert fällt unabhängig von
der jeweiligen Klemmenspannung des Elektromotors gleich aus.
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Ein derartiger Schutz erweist sich
jedoch häufig
als nicht zufriedenstellend.
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Vor allem beim Anlassen blockiert
der Läufer des
Elektromotors aufgrund seiner ausgeprägten Trägheit, so dass sich der Motor
wie ein ohmscher Verbraucher verhält. Das Schließen des
Transistors bewirkt demzufolge eine hohe Stromaufnahme, die wiederum
eine Ursache von Erhitzungen darstellt, durch die der Transistor
beschädigt
werden kann.
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Zum Beispiel im Falle einer Stromversorgung
durch die Batteriespannung (13 Volt) und ausgehend von der Annahme,
dass sich der Elektromotor wie ein ohmscher Verbraucher mit einem
Widerstand R von 0,1 Ohm verhält,
liegt die Leistung, die der Transistor 1 beim Anlassen aushalten
muss, dann bei 300 W, das heißt
bei der doppelten Höchstleistung,
der normalerweise zum Beispiel ein MOSFET-Transistor standhalten
kann.
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Außerdem kann beim Nennbetrieb,
das heißt wenn
der Elektromotor mit Nenndrehzahl läuft, der Läufer des Elektromotors aufgrund
des Vorhandenseins eines Fremdkörpers
im angetriebenen Mechanismus blockieren, was wiederum eine rasche
Erhöhung
des Stroms zur Folge hat.
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Eine klassische Funktionsstörung besteht schließlich in
einem Kurzschluss im Elektromotor, der ebenfalls eine erhebliche
Stromaufnahme nach sich zieht.
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Alle vorstehend beschriebenen Konfigurationen
führen
zu beträchtlichen
Stromwerten im Transistor, der den Elektromotor steuert. Wenn die
Spannung zwischen dem Drain und der Source des Transistors hoch
ausfällt,
hat dieser Strom eine Überleistung
zur Folge durch die der Transistor beschädigt werden kann.
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Diese Spannung ist jedoch von der
jeweiligen Klemmenspannung des Elektromotors abhängig.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
deshalb darin, eine Strombegrenzung vorzuschlagen, die es ermöglicht,
in allen Betriebssituationen des Elektromotors ein Element zur Steuerung
der Stromversorgung mit verstellbarer Impedanz, etwa einen Transistor,
effizient vor Überleistungen
zu schützen.
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Aus der DE-41 15 295 ist bereits
eine Steuerung der Stromversorgung eines Elektromotors bekannt,
bei welcher der durch den Elektromotor aufgenommene Strom durch
einen Stromstärkenschwellenwert
begrenzt wird, der sich im Laufe des Betriebs verändert, wobei
er zu Beginn des Anlassvorgangs kleiner als der bei Nennbetriebszahl
zulässige
Stromstärkenschwellenwert
ausfällt.
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Nach der in dieser Druckschrift beschriebenen
Technik wird ein Transistor, der die Stromversorgung eines Elektromotors
steuert, durch eine Sequenz von Öffnungs-
und Schließvorgängen betätigt, die
für den
besagten Elektromotor eine zu einer Steuerspannung USt proportionale
mittlere Spannung vorgibt.
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Ein Schwellenwert für die Regelung
der durch den Elektromotor aufgenommenen mittleren Stromstärke wird
in Abhängigkeit
von dieser Steuerspannung bestimmt, wobei dieser Schwellenwert mit der
besagten Spannung zunimmt.
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Wenn die Stromstärke ihren Schwellenwert erreicht,
wird das Umschaltverhältnis
der Öffnungs- und
Schließsequenz
des Transistors gesteuert, um die besagte Stromstarke unter den
besagten Schwellenwert absinken zu lassen. Der vorgenannte Schwellenwert
bleibt jedoch konstant, da die Steuerspannung USt grundsätzlich unverändert ist.
Infolgedessen bleibt die Stromstärke
in der Nähe
des besagten Schwellenwerts.
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Wenn daher die Klemmenspannung des Elektromotors
sehr niedrig wird, dann kann die Klemmenspannung des MOSFET-Transistors
so ausfallen, daß er
durch die Überleistung
beschädigt
werden kann. Darüber
hinaus besteht bei der Steuerschaltungsanordnung der DE-41 15 295
die Notwendigkeit, zusätzliche
Mittel für
die Kurzschlusserfassung des Elektromotors und für die momentane Abschaltung
seiner Stromversorgung vorzusehen, sowie Zeitverzögerungsmittel
und Mittel zum allmählichen Wiederanlassen
des Elektromotors im Anschluss an eine bestimmte Abschaltdauer.
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Die Erfindung schlägt nun ihrerseits – für den Schutz
eines einstellbaren Impedanzelements (und nicht eines Schalters
mit zwei Schaltstufen wie in der DE-41 15 265) – eine Steuerung vor, die es
ermöglicht,
sobald eine Stromerhöhung
festgestellt wird, den Strom wieder bis zu einem niedrigen Wert
abzusenken. Dadurch wird das Steuerelement effizient geschützt, was
mittels einer besonders einfachen Schaltungsanordnung geschieht.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass der
Stromstärkenschwellenwert,
auf den der Strom begrenzt wird, eine steigende Funktion der Klemmenspannung
des Elektromotors darstellt.
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So ist bekannt, dass für die Klemmenspannung
UM des Elektromotors gilt: UM = KΩ +
RI,wobei Ω für die Drehzahl
des Elektromotors, I für
die durch diesen aufgenommene Stromstärke, R für seinen Widerstand und K für einen.
Parameter des Motors steht.
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Wenn die Stromstärke ihren Schwellenwert übersteigt,
bewirkt die Steuerung bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Absenkung des Werts
der besagten Stromstärke
und demzufolge des Werts von UM und der
Schwellenstromstärke.
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Daraus folgt im Falle eines Blockierens
des Motors eine schnelle Verringerung der Stromstärke des
Elektromotors bis zu einem Gleichgewichtspunkt, in dem der Motor
nicht mehr läuft.
Im Falle eines Kurzschlusses nimmt die Stromstärke den zulässigen Schwellenwert für eine Motorspannung
gleich null an.
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In dem einen wie in dem anderen Fall
fällt die so
vorgegebene Stromstärke
im Verhältnis
zur Stromstärke
beim Nennbetrieb gering aus.
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Vorteilhafterweise werden die Eigenschaften des
Schwellenstroms in Abhängigkeit
von der Spannung des Elektromotors so gewählt, dass die zulässige Schwellenstromstärke bei
einer Nullspannung zwischen den Enden des Motors ausreichend ist,
um das Anlassen des besagten Motors zu ermöglichen.
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Insbesondere wenn die Stromstärke und
die Spannung des Elektromotors durch ein Blockieren des Motors zum
Gleichgewichtspunkt des Elektromotors zurückgeführt werden, kann der Motor
daher umgehend wieder anlaufen, sobald das Blockiermoment verschwindet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Diese
Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und hat keinerlei
einschränkende
Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu lesen.
Darin zeigen im einzelnen:
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1 eine
schematische Darstellung der Schaltung zur Stromversorgung eines
Elektromotors mit Gleichspannung;
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2 eine
schematische Darstellung einer ähnlichen
Stromversorgungsschaltung wie 1, die
außerdem
eine Begrenzungsvorrichtung gemäß einer
möglichen
Ausführungsart
der Erfindung umfasst;
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3 eine
Strombegrenzungskennlinie gemäß der Erfindung;
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4 ein
Schaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ausführungsart
für eine
analoge Strombegrenzungsschaltung gemäß der Erfindung.
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Die in 2 veranschaulichte
Stromversorgungsschaltung umfasst einen Elektromotor M, dessen Stromversorgung
durch eine Gleichspannungsquelle U erfolgt, sowie einen MOSFET-Transistor 11, der
ein Element mit einstellbarer Impedanz bildet, das die Stromversorgung
dieses Elektromotors M steuert.
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Bei diesem Elektromotor M handelt
es sich beispielsweise um einen Motor für die Heizungs-, Belüftungs-
oder Klimaanlage des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs.
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Die Source S des Transistors 11 ist
an die Masse angeschlossen, während
ihr Drain D mit einer der Klemmen des Elektromotors M verbunden
ist.
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Das Gate G des Transistors wird durch
eine Steuereinheit Uc spannungsgesteuert,
um im Normalbetrieb die Stromstärke
im Elektromotor durch Regelung der Impedanz des besagten Transistors
zu steuern.
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Falls es sich bei dem Elektromotor
M um einen Belüftungsmotor
handelt, umfasst die Steuereinheit Uc beispielsweise
den Mikroprozessor zur Regelung der Klimaanlage des Fahrzeugs.
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Als Variante kann die Steuereinheit
natürlich auch
eine ASIC-Schaltung umfassen.
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Diese Steuereinheit Uc erhält von den
Steuerorganen im Fahrzeuginnern eine Information bezüglich der
Steuerung des Elektromotors M.
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Im Falle einer Spannungssteuerung
umfasst die Steuereinheit Uc nicht dargestellte
Mittel, um die Klemmenspannung UM an den
Klemmen des Motors M in Abhängigkeit
von der gewünschten
Drehzahl des Motors vorzugeben.
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Im Falle einer Stromsteuerung legt
die Steuereinheit Uc an das Gate G des Transistors 11 eine Spannung
an, die den im Transistor 11 und daher auch im Elektromotor
M fließenden
Strom definiert.
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Die Erfindung ist bei der einen oder
der anderen dieser Steuerungen gleichermaßen anwendbar.
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Die Schaltung umfasst außerdem eine
Einheit 12 zur Begrenzung der Temperatur des Transistors 11 sowie
eine Strombegrenzungseinheit 13.
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Die Einheit 12 soll an dieser
Stelle nicht eingehender beschrieben werden. Sie erhält von einem in
der Nähe
des Transistors 11 befindlichen Temperaturfühler eine
Information über
dessen Temperatur und verändert
die durch die Steuereinheit Uc an den besagten
Transistor 11 angelegte Gitterspannung in Abhängigkeit
von dieser Temperaturinformation.
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Die Einheit 13 ist mit Mitteln 13a zur
Messung der Stromstärke
des durch den besagten Transistor 11 fließenden Stroms
verbunden. Diese Mittel 13a bestehen aus einem Nebenschlusswiderstand 13a,
der mit dem Motor M und dem Transistor 11 in Reihe geschaltet
ist. Die Spannung zwischen den Enden des besagten Widerstands 13a,
die proportional zu dem durch den Transistor 11 fließenden Strom I
ausfällt,
wird eingangsseitig in die Strombegrenzungseinheit 13 eingespeist.
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Außerdem sind Mittel zur Messung
der Spannung UM vorgesehen. Die Spannung
zwischen dem Motor M und dem Drain des Transistors 11 wird beispielsweise
eingangsseitig in die Einheit 13 eingespeist.
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Diese Einheit 13 umfasst
Mittel, um diesen Strom mit Schwellenwerten in Abhängigkeit
von der Spannung UM des Elektromotors M
zu vergleichen und um die durch die Steuereinheit Uc an
das Gate G des Transistors 11 angelegte Spannung so zu
verändern,
dass der besagte Strom unter den besagten Schwellenwerten gehalten
wird.
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Die Schwellenstromstärkewerte
sind in Abhängigkeit
von der Spannung UM ansteigend. Dabei fällt insbesondere
die beim Anlassen zulässige Höchststromstärke I0 deutlich kleiner als die Höchststromstärke beim
Nenndrehzahlbetrieb aus, so dass die Leistung, welcher der Transistor
11 beim Anlassen standhalten muss, sehr niedrig ist.
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Die Stromstärke I0 beim
Anlassen ist jedoch natürlich
ausreichend, um das Anlassen des Motors zu ermöglichen. Sie liegt beispielsweise
in der Größenordnung
von 2,5 Ampere.
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Bei der Strombegrenzungseinheit 13 handelt es
sich beispielsweise um eine analoge Schaltung, die für die Stromstärke I des
durch den Transistor 11 fließenden Stroms einen Schwellenwert
vorgibt, der, wie in 3 dargestellt,
eine lineare Funktion der Spannung UM des
Elektromotors M ist (Gerade DBegrenzung).
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Im Nennbetrieb schwankt die Klemmenspannung
UM des Elektromotors zwischen 0 und Ubat, wobei Ubat die
Batteriespannung ist, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten
Drehzahl des Motors.
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Dabei handelt es sich um den Fall
einer Spannungssteuerung des Motors.
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Ein Beispiel für die Umsetzung der Strombegrenzung
ist in 3 durch die darin
eingetragenen Pfeile veranschaulicht.
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Es wird davon ausgegangen, dass der
Elektromotor anfänglich
mit seiner Nenndrehzahl läuft,
so dass seine Klemmenspannung UM gleich
einem bestimmten Wert UN zwischen 0 und
Ubat ist. Der durch den Elektromotor M aufgenommene
Strom weist dann eine Stromstärke
auf, die zwischen der Stromstärke
des durch die Lastlinie (DLast) für diese
Spannung UM vorgegebenen Stroms und einem
Schwellenwert INmax liegt.
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Wenn der Läufer des Elektromotors M abgebremst
wird, fällt
die durch den besagten Elektromotor M entwickelte elektromotorische
Kraft ab, so dass sich der Strom entsprechend erhöht.
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Wenn die Stromstärke den Schwellenwert INmax erreicht, der dieser Nennspannung UN
entspricht, das heißt,
wenn sie die Gerade DBegrenzung erreicht,
steuert die Einheit 13 den Transistor 11 an, um die
Stromstärke
zu verringern.
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Daraus resultiert eine Verringerung
der Drehzahl und somit der Spannung UM des
Elektromotors M und daher außerdem
eine Verringerung der Schwellenstromstärke für den Strom.
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Infolgedessen steuert die Einheit 13 den Transistor 11 so
an, dass sich die Spannung UM und die Stromstärke I des
Stroms des Elektromotors M gleichzeitig verringern, wobei sie sich
auf der Geraden DBegrenzung bis zu einem
Gleichgewichtspunkt bewegen, dergestalt dass: I
= αUM + I0 und UM = RI,wobei α die Steigung
der Gerade DBegrenzung und R der Anlasswiderstand
des Elektromotors beim Anlassen ist.
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Dieser Gleichgewichtspunkt entspricht
daher: IE = I0/(1 – αR)
UM = R I0/(1 – αR).
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Wenn der Elektromotor M blockiert,
begrenzt demzufolge die Einheit 13 seine Stromstärke auf
I0/(1 – αR), wobei
dieser Wert deutlich kleiner als der Wert INmax
ist, der bei Nenndrehzahl erreicht werden kann.
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Mit den bereits erwähnten Werten
für R und I
und bei α in
einer Größenordnung
von 6 A/V liegt beispielsweise die Stromstärke IE des
blockierten Läufers
bei etwa 6 A, während
die Stromstärke
Imax bei UM = Ubat in
einer Größenordnung
von 80 A liegt.
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Wenn das Bremsmoment gelöst wird,
erhöht sich
die Spannung UM wieder bis zur Nennbetriebsspannung
UN.
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Im übrigen ist darauf hinzuweisen,
dass die in 3 veranschaulichte
Strombegrenzungskennlinie außerdem
eine Begrenzung der Stromstärke
auf einen Wert deutlich kleiner als Imax ermöglicht, wenn der Elektromotor
M kurzgeschlossen ist. Insoweit die Spannung UM gleich
null ist, wird die Stromstärke dann
faktisch auf I0 begrenzt.
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In 3 ist
ferner die Höchstleistung
Pmax dargestellt worden, welcher der Transistor 11 bei
der in dieser Figur veranschaulichten linearen Strombegrenzung standhalten
muss. Zur Information ist in dieser 3 außerdem die
Leistung PLast eingetragen worden, welcher
der Transistor 11 bei der Belastung des Elektromotors M
im Normalbetrieb standhält.
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Unabhängig vom jeweiligen Wert der
Spannung UM des Elektromotors ist die Leistung
Pmax kleiner als die Schwellenleistung PS,
bei deren Überschreitung
der Transistor 11 beschädigt
wird.
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In einer Kurzschlusssituation, das
heißt, wenn
die Klemmenspannung des Elektromotors gleich null ist, liegt die
Leistung Pmax bei Ubat × I0 das heißt in einer
Größenordnung
von 30 W.
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Wenn der Motor blockiert, wird seine
Stromstärke
auf IE begrenzt, und die durch den MOS-Transistor
hindurchgehende Leistung beträgt:
(Ubat – RIE) × IE, das heißt, sie liegt in einer Größenordnung
von 50 W.
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In beiden Fällen ist demzufolge die Höchstleistung
Pmax, welcher der Transistor 11 standhalten muss, sehr
begrenzt.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, in der ein Beispiel
für eine
analoge Schaltung 13 dargestellt ist, die es ermöglicht,
eine lineare Begrenzung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, auszuführen.
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Diese Schaltung umfasst einen Operationsverstärker 14,
dessen nicht invertierender Eingang mit der Source des Transistors 11 verbunden
ist, während
sein invertierender Eingang über
einen Widerstand 15 mit 12 kOm an die Masse angeschlossen
ist. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 14 und seinem
invertierenden Eingang ist ein 100 kOhm Widerstand 16 in
Gegenkopplung geschaltet.
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Die Source S des Transistors 11 ist
mit der Masse durch den Widerstand 13a verbunden, der als Nebenschlusswiderstand
für die
Messung des im Elektromotor fließenden Stroms dient.
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Der Operationsverstärker 14 funktioniert
daher als Verstärker
der Klemmenspannung an den Klemmen des Nebenschlusswiderstands 13a.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist
durch einen 27 kOhm Widerstand 19 mit dem nicht invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 17 verbunden.
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Dieser invertierende Ausgang ist
außerdem durch
einen 270 kOhm Widerstand 10 an den Drain des Transistors 11 angeschlossen.
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Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 17 und
dem invertierenden Eingang ist ein Kondensator 20 mit 47
nF geschaltet.
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Dieser Ausgang des Verstärkers 17 ist
außerdem
durch einen 220 kOhm Widerstand 21 mit dem Gate des Transistors 11 verbunden.
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Der nicht invertierende Ausgang des
Operationsverstärkers 17 empfängt darüber hinaus
eine Bezugsspannung, die ihm durch die Batteriespannung geliefert
wird, an die er über
einen 240 kOhm Widerstand 22 angeschlossen ist. Dieser
nicht invertierende Eingang ist außerdem an die Masse über einen
Kondensator 23 angeschlossen, der eine Kapazität mit 22
nF aufweist und der mit einem 27 kOhm Widerstand 24 parallel
geschaltet ist.
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Die Widerstände 22 und 24 sind
als Spannungsteilerbrücke
geschaltet, um eine für
I0 repräsentative
konstante Spannung zu erzeugen. Bei dem Kondensator 23 handelt
es sich um einen Entkopplungskondensator.
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Die Teilschaltung, die den Verstärker 14 und die
Widerstände 15 bis 19 enthält, stellt
außerdem eine
linearen Verknüpfung
zwischen der Klemmenspannung des als Nebenschlusswiderstand dienenden
Widerstands 13a und der Klemmenspannung des Elektromotors
her.
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Die am invertierenden Eingang des
Verstärkers 17 eingespeiste
Spannung ist für
die Menge I – α UM repräsentativ
und wird über
die durch den Verstärker 17 und
die Elemente 20 bis 24 gebildete Teilschaltung
mit einer für
I0 repräsentativen
Spannung verglichen.
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Wenn I – α UM größer als
I0 wird, das heißt, wenn die Stromstärke I größer als
I0 + α UM wird, dann verändert die Ausgangsspannung
des Verstärkers 17 die
an das Gate G des Transistors 11 angelegte Spannung so,
dass der Strom I verringert wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend im
Falle einer Strombegrenzungsfunktion linearen Typs beschrieben,
die mit Hilfe einer analogen Schaltung am einfachsten zu realisieren
ist.
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Es können natürlich auch andere Begrenzungsfunktionen
in Betracht gezogen werden.
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Insbesondere für den Fall, dass es sich bei der
Begrenzungseinheit 13 um eine Digitalverarbeitungseinheit
handelt – was
beispielsweise dann der Fall ist, wenn. die Begrenzungsfunktion
mit der Steuerfunktion der Einheit Uc in
ein und demselben Mikroprozessor geregelt wird, dann kann die Strombegrenzungskennlinie
in Abhängigkeit
von der Spannung UM eine beliebige Form
aufweisen und vorteilhafter weise so gewählt werden, dass die Verlustleistung
im Transistor 11 möglichst
weitgehend optimiert wird.
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[Text zu den Figuren]
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FIG. 3
- Limitation:
- Begrenzung
- Charge:
- Last